中国移动云视讯媒体质量优化系统设计＊

刘昶，蔡伟利，汪卫斌

（中国移动通信有限公司政企客户分公司，北京 100083）

中国移动云视讯媒体质量优化系统设计＊

刘昶，蔡伟利，汪卫斌

（中国移动通信有限公司政企客户分公司，北京 100083）

随着网络的迅猛发展，视频会议在人们办公中的应用越来越广泛，然而网络自身的固有特性在不同场景下的网络状态波动较大，网络质量不可控，为解决上述网络问题，中国移动云视讯提出媒体质量优化技术，采用媒体优化网关，通过优化协议加速解决跨网络分组丢失与各品牌终端抗分组丢失率不一致的问题，实现平台统一及终端融合的目标。

视频会议；媒体优化；优化协议

互联网科技的不断发展，使人们对网络的需求越来越大，对网络的性能要求也越来越高，特别是在视频会议中，在复杂的网络环境下，如何优化视频画面视频卡顿、视频图像马赛克、视频图像局部变形、屏幕频繁刷新或闪烁和音视频不同步等问题。传输协议加速，采用动态学习网络环境方式，优化重传，相较传统重传，避免了网络拥塞，降低重传时延，以达到高效的传输机制。中国移动云视讯的媒体质量优化技术采用优化传输协议双边加速机制，对视频流量进行优化传输，使视频会议达到最优效果。

1 需求分析

1.1 视频会议网络现状

随着视频会议网络建设规模的展开，用户的覆盖范围越来越广，越来越多的用户开始享用到视频会议的便利性，免除了出差的辛苦，提高了沟通的效率。而与此同时，一些问题也不可避免地暴露出来。

进行视频会议的公司总部和分部很多都是属于跨地域的网络环境。网络传输过程中可能存在一定的延时和分组丢失。视频会议系统通常用Callto、H.323、SIP等UDP协议来承载视频、语音数据分组的传输，网络上一旦存在延时分组丢失，就会造成视频卡顿、视频图像马赛克、视频图像局部变形、屏幕频繁刷新或闪烁、音视频不同步等问题。如果网络分组丢失率过大或过于频繁，还将会使视频通信过度延迟，甚至造成视频会议中断。随着延时和分组丢失的增大，传输效率也会大幅度下降。

不同视频会议厂商之间的互连对网络质量的要求也很大，虽然可以通过MCU来互联，但是这种部署对于网络的要求很高。

由于自研终端种类繁多，与中国移动云视讯平台通信采用了公有协议，而公有协议的抗分组丢失算法较差，抗分组丢失性能弱，无法满足正常的视频会议在互联网环境下使用的需求，也不易形成可控的终端产业链。

缺乏传输层优化措施，影响跨地域跨运营商的视频会议清晰流畅。跨地域跨运营商的视频会议需求与日俱增，对传输质量的要求更为苛刻，在大延时和大分组丢失的网络环境下，就会出现视频的卡顿、图像马赛克和声音不连续等问题，影响客户体验。

1.2 媒体质量优化的必要性

造成以上问题的根本原因是，视频会议传输一般是基于UDP协议传输的，UPD高效但稳定性能差，所以随着链路质量的影响，会造成视频图像严重受损，出现视频图像卡顿、马赛克、音视频不同步等问题，媒体质量优化建设采用双向优化协议的机制，使用透明部署方式接入网络，既对任何应用透明，也对网络上的设备（如路由、安全设备等）透明，部署不对现有网络及应用做更改。

中国移动云视讯的媒体质量优化从传输层切入，将自研终端视频流由高效但不稳定UDP传输改为由优化后的TCP协议传输，相对于传统TCP协议稳定好但效率差，优化后的TCP传输更为精确的分组丢失判断及拥塞预测算法，改进了重传机制，增强传输功能，并与标准 TCP 协议完全兼容，当媒体流经过媒体质量优化网关设备时，在不改变数据流承载的情况下通过改变数据分组的传送时机及重传时机来达到双向加速，从而搭建高效视频通道，保障会议高清流畅，为不同视频会议终端的互通，提供良好的网络基础，满足云视讯的视频会议本端及远端的音视频流畅性，也会进一步提升云视讯业务的可扩展性。

2 媒体优化网关

2.1 媒体优化网关介绍

媒体优化网关是多核系统，采用友好的图形化窗口用户操作界面，有完善的、方便的人机通信控制功能，支持多用户操作。使用透明代理的体系架构设计和实现方式，这种方式对任何网络环境和应用完全透明，也就是说部署时不需要改变任何网络拓扑结构和配置，也不需要对应用做任何改动。因此具有最大限度的适应性和部署灵活性可操作性强。

同时媒体优化网关具有完善的系统结构控制功能，可以灵活地组合设备，构成运行系统，并包括了网管子系统及处理相应业务的功能，具有各类协议处理功能和代码转换功能，可以硬件设备进行测试，并对软件、硬件运行故障的监视，有完善的故障告警及障碍后处理功能。

中国移动采用的媒体优化网关设备符合信息技术发展形势，既体现先进技术又比较成熟，并且是业内公认的领先产品。满足未来各种应用系统对服务客户端系统的要求，提供统一平台的服务；并可以提供针对各种已有数据源的接口支持。

2.2 媒体优化网关架构

媒体优化网关采用机框式的硬件架构，机框内可以加载交换板和计算板。如图1所示，视频流量数据通过交换板接入设备，由交换板进行流量负荷分担，流量到不同的计算板上，由不同计算板上的优化模块进行策略匹配以及优化，优化完成后将流量转发回交换板进行数据传输。

媒体优化网关处理视频流量使用模块化设计，计算板上分为流量识别模块、媒体流优化模块、安全模块、流量监控模块、网管功能模块，各个模块对流量的处理机制如下。

图1 云视讯媒体优化网关架构图

（1）流量识别模块自动识别流经的网络流量，实现视频会议流进入优化状态，其它流量进入直通状态的功能。

（2）进入优化状态的媒体流，优化模块自动和对端设备实现连接，对视频流进行优化，优化数据传输效率，形成优化的视频传输通道。

（3）安全模块会自动监控系统状态，实现内置Bypass功能，在设备出现软硬件故障时快速自动切换到直通状态，保障业务正常。

（4）流量监控模块会实时统计当前流经的总数据流和视频加速数据流的情况；网管功能模块提供SNMP接口，网管系统可通过网管功能模块对优化设备进行维护、配置与管理。

3 优化方案设计与实现

3.1 方案设计

媒体质量优化建设方案需在中国移动云视讯核心网的网络出口处部署媒体优化网关，位置在SBC与CMNet出口防火墙之间，如图2所示，这种部署方式使媒体优化网关设备覆盖的网络范围更大，所承载的网络负载更高。

负荷设计为当前出口带宽的1/4容量（3 Gb），并支持今后扩容，通过在用户终端加载加速软件的方式，搭建无分组丢失的视频传输通道，对云视讯平台进行优化。

考虑到网络安全性及对多种通信网络的兼容性，为尽量减少对现有网络的改动，采用透明部署方式，不需要设置业务通信IP地址，既对任何应用透明，也对网络上的设备（如路由、安全设备等）透明，建设后不对现网造成影响，确保用户业务系统的稳定性和可靠性。

媒体质量优化的优化协议作为一个传输增强功能与标准TCP协议完全兼容，并不替代操作系统中原有的TCP协议栈，当媒体流经过高清会议媒体优化网关设备时，该设备在不改变任何数据流承载内容的情况下通过改变数据分组的传送时机及重传时机来达到加速目的。对未使用媒体优化模块的终端和纯语音设备不做任何处理，纯语音设备以旁路方式透传，不影响其传输质量。

图2 云视讯媒体质量优化方案设计

媒体质量优化设备采用主备机都故障时自动切换为Bypass状态的设计，Bypass状态下对所有网络流量进行透传，对网络可用性不造成任何影响。

方案建设为保证中国移动云视讯业务在流量不断增长的情况下，具有较高的吞吐能力和处理能力，设备采用级别为运营商级设备，单服务器媒体流加速带宽达到至少4 Gbit/s，加速性能在分组长在64 byte时单路数据转发性能≥0.744 Mpps；分组长在128 byte时单路数据转发性能≥0.844 Mpps；分组长在512 byte时单路数据转发性能≥0.705 Mpps；分组长在1 400 byte时单路数据转发性能≥0.528 Mpps；设备一个1G端口的最小线速转发分组长不大于128 byte。单服务器支持并发Session不低于2 000个。

设备Bypass性能满足分组长64 byte时单路数据转发性能至少14.00 Mpps；分组长128 byte时单路数据转发性能至少8.00 Mpps；分组长512 byte时单路数据转发性能至少2.00 Mpps；分组长1 400 byte时单路数据转发性能至少0.80 Mpps，Bypass状态下，可达到全线速转发。

媒体质量优化设计最终目的是达到在总延时在不超过200 ms情况下均可正常实现视频优化，在网络分组丢失率40%以内，优化设备应保障云视讯视频会议清晰流畅。

3.2 会议流量优化实现

视频会议传输一般都是基于UDP协议的，在延时和分组丢失的网络环境下，就会出现视频画面卡顿、图像马赛克、声音不连续等问题。媒体优化系统通过建立TCP封装的隧道，让UDP的视频通过隧道转换为TCP协议并应用TCP加速功能，以达到改善视频传输质量，保证传输数据的安全性，优化过程如下。

高清会议媒体优化网关设备通过建立优化连接、形成高效视频通道，保证视频会议数据传输到对端，从而保障视频会议质量。

优化连接建立流程如图3所示，优化设备在实现优化时只有在视频流量通过时才建立TCP隧道，信令和SIP交互过程的数据分组不应进入TCP隧道，而通过RTP协议传输的视频流量全部进入TCP隧道中。

TCP隧道建立流程说明：

（1）- （9）是终端A和服务器之间进行SIP注册、呼叫建立过程，此过程不进入TCP隧道，直接透传给对方。

（10） 是终端 A 通过RTP协议向服务器传输视频会议，此时流量不进入TCP隧道，直接透传给服务器。

（11）（12）（14） 是终端会议优化模块检测到（10）中有视频流量经过，此时开始发起TCP 三次握手，建立TCP隧道。

（13） 服 务 器 通 过RTP协议向终端A传输视频流量，此时直接透传此流量给客户端A。

（15）-（20）终端A和服务器通过RTP协议传输视频会议，此通信过程通过TCP隧道进行传输。

被叫模式下，与以上过程是类似，流量方向和主叫模式下相反。

通过使用稳定的TCP隧道进行优化，TCP协议将UDP进行再封装后，使用TCP进行传输，对封装后的TCP协议进行协议优化，保障了数据完全性的同时又保证了传输效率。

此时TCP传输优化，主要通过改善拥塞判断处理和更准确及时地进行分组丢失判断恢复来加速TCP传输并提升TCP连接的稳定性。由一整套基于动态学习原则的算法组成。

（1）这些算法用于在传输过程中动态学习判断每个特定连接的网络路径特征，如端到端延迟及其变化特征、接收端反馈数据分组（ACK）的到达间隔及其变化、数据分组逆序程度及变化特征、可能由安全设备深度数据检测引起的延迟抖动、各种因素导致的随机分组丢失等。

图3 媒体优化连接建立流程

（2）在实时跟踪这些特征的同时，随时综合分析这些特征并从中推导出在这个特定TCP连接网络路径上反映拥塞及分组丢失的前兆信号，再根据这些动态智能学习的结果判断拥塞程度、决定与当前路径可用带宽相匹配的发送速度、拥塞恢复机制、并准确及时的进行分组丢失判断及恢复。

（3）这些算法机制是通过一个自动学习状态机来实现，如图4所示。每一个TCP连接都对应一个自动学习状态机，记录该TCP连接的网络路径特征并动态决定适合该连接的拥塞判断及恢复机制和分组丢失判断机制。图4中的Flow Profiler主要负责直接提取网络路径外在特征并输入给Learning State-Machine。Learning State-Machine积累的智能被图中所示的Loss Detector、Congestion Controller、Exception Hanlder、及Window Controller模块用于调整相应TCP连接的传输行为。Exception Handler和Window Controller模块也会动态反馈信息给Learning State-Machine用于进一步优化网络路径学习。

4 媒体优化系统测试

4.1 测试条件

（1） 视频终端嵌入加速软件。

（2）在视频终端A和优化设备C之间增加损伤仪E模拟网络分组丢失，在视频终端B和优化设备D之间增加损伤仪F模拟网络分组丢失，不进行其它的修改。

图4 TCP传输优化算法

4.2 测试步骤

（1） 按照图5所示部署设备。

（2） 网络损伤仪E和F分别设置双向10%（单向5%）的分组丢失。

（3） 关闭视频终端A、B和优化设备C、D之间的优化开关进行视频会议测试。

（4） 打开视频终端A、B和优化设备C、D之间的优化开关进行视频会议测试。

（5）损伤仪E和损伤仪F分别设置双向20%（单向10%），重复步骤2和3。

损伤仪E和损伤仪F分别设置双向30%（单向15%）的分组丢失，重复步骤2和3。

图5 测试方案拓扑

4.3 测试结果

（1）关闭视频终端和优化设备的优化开关后，视频会议传输受损伤仪E和F的影响，会出现视频图像严重受损、视频图像卡顿、马赛克、音视频不同步等问题。

（2）开启视频终端和优化设备的优化开关后，通过终端A和优化设备C、终端B和优化设备D之间的优化，提升数据传输效率、形成高效视频传输通道从而显著改善视频会议质量，视频卡顿、马赛克、音视频不同步等问题明显改善或者完全消失。

5 总结及未来规划

5.1 总结

云视讯的媒体优化系统通过对底层传输协议进行优化，底层传输协议不会因应用实现的差异而出现差异，且比应用层优化更彻底，因为应用层的数据最终必然要经传输协议进行传输，对协议层面的优化可以更彻底有效的保障优化效果，从而达到高效的视频通道。在保证10-20 G带宽下，视频会议数据无分组丢失的传输到对端，保证视频画面完整，提升中国移动视频业务竞争力。

媒体优化系统对不同厂商的云视讯终端进行互连，厂商终端设备通过软件模块嵌入，在不另增加设备的情况下， 提供良好的网络基础。同时采用全透明代理的体系架构，从数据传输优化入手，从而占用的设备处理器和内存资源较少，而且可以随带宽和连接数的提升对设备进行扩容，提升中国移动视频业务的可扩展性。

优化系统具有很强的系统可靠性，内置容灾部件，且自带有流量保护功能，在优化系统设备、端口、软件及流量异常时能够自动切换到流量直通状态，保障云视讯业务不中断，并进行报警处理。

5.2 规划

为保障媒体优化网关在云视讯平台的长期稳定运行，避免随业务量的增长出现超负荷运转以致影响业务质量等情况的出现，媒体质量优化方案在设计时考虑此需求，确保了方案可提供以下保障。

（1）简单易操作的软件升降级方式。优化系统支持在线软件升级。当系统出现重大漏洞或安全隐患后，通过管理界面可将优化设备先置于Bypass状态，之后再对设备系统继续升降级操作，操作完成后，再将设备恢复至正常工作状态；此操作可确保用户业务正常运行，不受升降级的影响。

（2）全面的系统扩展途径。优化设备可通过升级处理器、内存容量及板卡数量等操作实现简单易行的垂直扩展，从而提高优化系统的整体处理能力。同时，优化系统支持水平扩展，可通过增加优化设备数量的方式提升系统的整体处理能力。

A design of China Mobile cloud-video conferencing media quality optimization system

LIU Chang CAI Wei-li WANG Wei-bin
(China Mobile Communications Corporation Government and Enterprise Service Company, Beijing 100083, China)

With the rapid development of the network, video conferencing is more and more widely used in the works. But the inherent characteristics of the network itself fluctuates greatly in different scenarios, and the quality of the network is uncontrollable. In order to solve the above network problems, China Mobile cloud-video puts forward the media quality optimization technology, adopts the media optimization gateway, through optimization protocol to accelerate the solution of cross network packet loss and each brand terminal anti packet loss rate inconsistency problem, achieve the goal of platform unification and terminal integration.

video conferencing; media optimization; optimization protocol

TP39

A

1008-5599（2017）12-0015-06

2017-11-10

* 中国移动集团级一类科技创新成果，原成果名称为《云视讯自研低成本会议终端》。